混合動力汽車的換擋整車控制策略研究及應用

摘要：隨著新能源汽車的快速發展，混合動力汽車（HEV）的換擋平順性和系統穩定性成為各大車企面臨的挑戰。基于匹配濕式雙離合變速器的P1+P3雙電機混合動力架構，提出了一種整車級的換擋策略及扭矩控制方法。從整車系統角度出發，融合C2C（Clutch to Clutch）換擋及非C2C換擋兩種換擋模式，根據系統需求選擇最佳的換擋模式，并通過統一協調混合動力系統中的發動機、雙電機及變速器的交互及扭矩控制，有效解決了傳統換擋過程中的頓挫及離合器磨損問題，提升了換擋平順性，并確保了整車系統的穩定性。

關鍵詞：混合動力汽車；換擋策略；換擋控制；扭矩控制；P1+P3架構；換擋平順性

中圖分類號：U469" 收稿日期：2024-12-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202503009

1 前言

隨著全球能源危機的加劇和環境污染問題的日益嚴峻，新能源汽車作為替代傳統燃油車的重要選擇，其發展速度迅猛，市場潛力巨大。在眾多新能源汽車技術路徑中，混合動力汽車（HEV）因其能夠在燃油經濟性和排放控制方面取得較好平衡而備受關注。混合動力汽車結合了內燃機和電動機的優勢，通過智能控制策略實現能源的高效利用，但同時也迎來了復雜的控制挑戰，尤其是在換擋過程中的平順性和系統穩定性方面。

目前，針對匹配自動機械變速箱（AMT）單電機混動架構的換擋控制策略較多[1-3]，詳細分析了AMT換擋沖擊產生機理及對策[4]。而混合動力汽車雙離合自動變速器（DCT）的研究則較少，更多的是對傳統雙離合自動換擋策略及控制的研究[5-7]。混合動力汽車動力源較多，通過對變速器擋位、發動機輸出轉矩和電動機輸出轉矩的調節，實現較好的燃油經濟性[8]。文獻[9]針對雙電機混動系統更多的是基于燃油經濟性對換擋規律及扭矩分配策略進行深入研究。文獻[10]對雙電機的四擋混動系統提出一種控制策略實現車輛變速器輸出扭矩平順變化，且不會出現動力中斷。

本文基于濕式雙離合混動專用變速器的特點、P1+P3雙電機混動架構多動力源的現狀及整車系統選型配置，從整車級角度統籌各零部件的控制。只有整個換擋系統各零部件的完美配合執行換擋策略及扭矩請求才能保證換擋的平順性，才能解決傳統燃油車換擋帶來的扭矩頓挫缺陷。

a.根據系統能力和變速器溫度狀態，在大動力需求場景下選擇C2C換擋模式，而在小動力需求或變速器溫度偏高等場景下切換非C2C換擋模式。這樣既保證了換擋過程中不會出現動力中斷又減少了離合器的磨損和熱失效風險。

b.統一協調混合動力整車控制器（HCU）、變速器控制器（TCU）、發動機及雙電機的換擋交互控制及扭矩分配，使各零部件配合執行換擋策略及扭矩請求，基于電池包充放電功率，盡可能地發揮系統最大能力，同時保證混動汽車換擋的平順性和穩定性。

2 P1+P3混合動力系統架構

本文研究的P1+P3雙電機混合動力系統架構如圖1所示。該系統屬于串并聯式兩擋混合動力系統，由發動機、濕式雙離合器、P1電機、P3電機、動力電池及相關組件構成。其中P1電機主要用于拖起發動機、發電及輔助換擋，P3電機可直接驅動車輛行駛，該架構能實現純電驅動模式、增程模式、混動模式、發動機直驅模式和制動能量回收模式等多種工作模式；并聯模式為發動機和P3電機同時進行驅動，發動機通過離合器對輪邊傳遞扭矩，離合器端扭矩跟P3電機扭矩經差速器匯總傳遞給輪邊進行整車驅動。

3 整車換擋控制策略

由于該混合動力系統架構使用的是兩擋濕式雙離合器，在換擋過程中設計了兩種換擋模式供選擇，C2C換擋（Cluth to Cluth滑磨換擋）模式及非C2C換擋（完全脫開離合器換擋）模式。

其中，非C2C換擋流程大體分為擋位模式確認、清扭、調速及回扭四個階段，這種換擋模式由于離合器完全打開再進行調速控制，離合器本身的磨損較小，但是換擋時間長，換擋過程中，離合器端的動力無法完全傳遞輪邊，輪邊總的輸出扭矩是否正常完全取決于系統P3電機有沒有多余能力動態補償調速階段離合器端損失的扭矩。

而C2C換擋更類似傳統AT換擋，根據不同的換擋需求或通過離合器滑磨及發動機自身慣量負扭矩倒拖發動機轉速或通過離合器滑磨及發動機自身正扭矩上拉轉速，理論僅在動力降擋時需要P1電機參與輔助調速。C2C換擋模式速度更快，換擋過程中離合器端能繼續維持一定的輸出扭矩，但因為離合器滑磨，更易導致離合器磨損及熱量堆積。

本文研究的換擋控制策略基于整車的系統能力及駕駛員動力需求，智能選擇兩種換擋模式，根據車速及加速踏板分析出駕駛員的動力需求，在大動力需求場景下選擇C2C換擋模式，而在小動力需求或變速器溫度偏高等場景下切換非C2C換擋模式。這樣既保證了動力輸出平順，同時也增加了系統的耐用性及穩定性。詳細控制流程如圖2所示。

31 非C2C換擋控制策略

并聯模式下的非C2C換擋控制分為換擋確認控制、清扭干預控制、調速干預控制及回扭干預控制共4個階段，HCU綜合協調TCU、GMU、MCU及ECU等控制器，保證各零部件完美配合執行換擋策略。換擋控制時序圖見圖3。

311 換擋確認控制

a.HCU根據加速踏板及車速等車輛行駛信息實時計算新擋位，當換擋條件滿足時觸發換擋請求，發送目標擋位給TCU，TCU判斷變速器狀態，如能執行換擋，反饋新的目標擋位給HCU；HCU進行目標擋位一致性檢查，當TCU反饋的目標擋位與HCU請求擋位一致后請求換擋，根據加速踏板及車速等選擇非C2C換擋模式請求發送給TCU。

b.在當前階段，TCU不進行干預控制，HCU負責發動機、雙電機的扭矩分配。其中發動機扭矩計算策略為HCU根據整車經濟性及動力性需求分配發動機扭矩，同時考慮電池包充放電能力對發動機請求扭矩進行動態調整，最后對請求扭矩進行梯度平滑濾波。

P1電機扭矩計算時，考慮到P1電機到輪邊傳動齒輪較多，效率差，不如P3電機直接驅動，分配扭矩為0。

P3電機進行扭矩動態補償，維持輪邊需求總扭矩滿足駕駛員需求且平順，不進行梯度平滑濾波。P3電機扭矩公式如下：

[TP3_req=（TW?l_req?TClu_out）/iP3]" " " " " " " " "（1）

式中，[TP3_req]為P3電機請求扭矩；[TW?l_req]為輪邊需求總扭矩；[TClu_out]為離合器端輸出扭矩；[iP3]為P3電機速比。

TCU干預扭矩、轉速計算時，該階段不進行干預，可根據零部件實際響應情況，選擇使用實際扭矩或請求扭矩計算，離合器輸出扭矩計算如下：

[TClu_out=（TEng_act+TP1_act）×i]" " " " " " " " " "（2）

式中，[TEng_act]為發動機實際扭矩；[TP1_act]為P1電機實際扭矩；i為發動機實際擋位速比。

312 清扭干預控制

a.TCU接收到HCU的非C2C換擋模式請求后，發送清扭干預模式請求及干預扭矩請求給HCU，HCU接收到TCU清扭干預模式后進入清扭控制階段，HCU根據經濟性及動力性需求及系統能力控制請求發動機扭矩，同時控制P1電機動態補償響應TCU的清扭扭矩，保證離合器前端的實際扭矩跟隨TCU清扭扭矩。

由于離合器端輸出扭矩在減小，HCU需控制P3電機進行扭矩動態補償，保證整車總的扭矩輸出維持不變。

當TCU判斷離合器前端實際扭矩滿足清扭要求后，控制電磁閥進行卸壓，然后打開離合器，完成清扭控制，如清扭超時則換擋失敗進入串聯模式。

b.發動機扭矩計算，HCU繼續根據整車經濟性及動力性需求分配發動機扭矩，同時考慮電池包充放電能力對發動機請求扭矩進行動態調整，因發動機扭矩響應較慢，只有電池包充電能力受限，P1電機無法繼續降低扭矩來輔助清扭時才請求發動機降扭，降扭計算如下：

[TEng_dec=TTcu_req?TP1_max]" " " " " " " " " " " （3）

式中，[TEng_dec]為發動機需降低扭矩；[TTcu_req]為TCU干預扭矩；[TP1_max]為P1電機最大發電扭矩。

P1電機扭矩計算，輔助清扭，保證離合器前端扭矩跟隨TCU干預扭矩，并根據電池包充放電能力進行限制處理。需求扭矩如下：

[TP1_req=（TTcu_req?TEngact）/iP1]" " " " " " " "（4）

式中，[TP1_req]為P1電機請求扭矩；[iP1]為P1電機速比。

P3電機扭矩計算，進行扭矩動態補償，維持輪邊需求總扭矩滿足駕駛員需求且平順，需求扭矩如公式（1）所示，不進行梯度平滑濾波。

TCU進行扭矩干預，不進行轉速干預，干預扭矩=0，從當前離合器前端實際扭矩走梯度濾波到0，離合器輸出扭矩如公式（2）所示。

313 調速干預控制

a.清扭完成后，TCU發送調速干預模式和干預轉速給HCU，HCU接收到TCU調速請求后進入調速控制階段，HCU繼續根據經濟性及動力性需求及系統能力控制請求發動機扭矩，同時控制P1電機輔助調速，保證發動機轉速跟隨TCU目標轉速。

由于此時離合器已經完全打開，離合器端輸出扭矩為零，HCU需控制P3電機進行扭矩動態補償，保證整車總的扭矩輸出維持不變。

當TCU判斷發動機轉速達到目標轉速后，控制電磁閥進行充壓，開始貼合離合器，完成調速控制，如調速超時則換擋失敗進入串聯模式。

b.發動機扭矩計算，HCU繼續根據整車經濟性及動力性需求分配發動機扭矩，但需對發動機請求扭矩進行最大值限制處理，在電池包最大發電功率的基礎上預留足夠的調速功率給P1電機進行輔助調速，預留功率為調速目標轉速跟發動機實際轉速差查表標定得到，最后對請求扭矩進行梯度平滑濾波。

P1電機基扭矩計算，輔助調速，根據TCU干預目標轉速和發動機實際轉速通過PI控制或者慣量控制計算得到。

P3電機扭矩計算，進行扭矩動態補償，維持輪邊需求總扭矩滿足駕駛員需求且平順，需求扭矩如公式（1）所示，不進行梯度平滑濾波。

TCU退出扭矩干預，進行轉速干預，干預轉速根據車速及目標擋位速比計算得到，從發動機實際轉速走梯度濾波到干預轉速，離合器輸出扭矩為0。

314 回扭干預控制

a.調速完成后TCU發送回扭模式請求及干預扭矩給HCU，HCU接收到TCU回扭請求后進入回扭控制階段，HCU繼續根據經濟性及動力性需求及系統能力控制請求發動機扭矩，同時控制P1電機輔助補扭，保證離合器前端扭矩跟隨TCU干預扭矩。

由于此時離合器端輸出扭矩逐漸在恢復，HCU需控制P3電機進行扭矩動態補償降扭，保證整車總的扭矩輸出維持不變。

b.發動機扭矩計算，HCU根據整車經濟性及動力性需求分配發動機扭矩，同時考慮電池包充放電能力對發動機請求扭矩進行動態調整，最后對請求扭矩進行梯度平滑濾波。

P1電機扭矩計算，輔助回扭，最終輸出扭矩為0。

P3電機扭矩計算，進行扭矩動態補償，維持輪邊需求總扭矩滿足駕駛員需求且平順，需求扭矩如公式（1）所示，不進行梯度平滑濾波。

TCU退出轉速干預，進入扭矩干預，干預扭矩目標為HCU需求的發動機扭矩，從當前離合器前端實際扭矩走梯度濾波到目標扭矩，離合器輸出扭矩如圖4所示。

32 C2C換擋控制策略

C2C換擋控制更偏向傳統AT變速器換擋控制，本文研究的濕式兩擋雙離合器在進入換擋控制前，需TCU識別動力1升2、動力2降1、無動力1升2及無動力2降1共四種換擋工況再執行相應的換擋控制邏輯。總體換擋邏輯類似傳統AT變速器，相比較非C2C換擋，C2C換擋不需要先清扭完全脫開離合器再進行調速控制，靠奇數軸、偶數軸離合器滑磨就能完成換擋，換擋過程中TCU與HCU的控制交互相對較少，理論僅動力1升2換擋工況等需要P1電機輔助調速。實際開發過程中為了更快地i完成換擋，TCU會根據需求請求P1介入換擋。

321 動力升擋控制策略

C2C動力1升2換擋因2擋速比小，需降低發動機轉速，但中大油門動力需求較大，離合器前端扭矩也就較大，為了最佳的換擋體驗，本文設計的策略是通過P1電機輔助調速，避免完全靠滑磨降發動機轉速，這樣就能大大減少了離合器的磨損，提高了系統穩定性。

根據加速踏板及車速選擇C2C換擋模式請求發送給TCU。TCU控制前整車控制邏輯及發動機、雙電機的扭矩計算跟非C2C1升2計算相同。

進入換擋控制階段后TCU自行進行奇偶軸扭矩轉移交互，再進行調速控制，調速控制先進行降扭控制再進行升扭控制。扭矩轉移階段，TCU不請求干預，HCU需請求P3電機進行扭矩動態補償，保證整車總扭矩輸出不變，計算如公式（1）所示。發動機及P1電機繼續維持上一階段控制策略。調速控制階段，降扭控制策略及扭矩計算同非C2C換擋的清扭階段，升扭控制策略及算法同非C2C換擋的回扭階段。總的原則為HCU控制發動機及P1電機的扭矩，保證離合器前端的總扭矩跟隨TCU干預扭矩，配合完成調速控制。

322 其他升降擋控制策略

其他換擋工況TCU直接控制奇偶離合器滑磨即可完成調速換擋，HCU根據離合器端的輸出扭矩變化控制P3電機動態補償扭矩，保證輪邊總輸出扭矩滿足駕駛員需求。TCU僅可能在換擋末端為了追求最佳的換擋體驗才可能請求換擋干預，HCU接到干預請求后的各零部件控制及扭矩分配同上文的干預控制策略。

動力降擋TCU先進行調速再進行奇偶離合器的扭矩交互控制，調速通過控制離合器滑磨及發動機自身扭矩完成轉速上拉。無動力升擋TCU先進行調速再進行奇偶離合器的扭矩交互控制，調速同樣通過控制離合器滑磨及發動機倒托力矩完成轉速下拉。無動力降擋TCU先進行奇偶離合器扭矩交互再進行調速控制，調速完全靠離合器的滑磨上拉轉速。

4 試驗驗證及分析

為了驗證本文提出的P1+P3混合動力系統架構換擋整車控制策略，基于Matlab/Simulink搭建了整車軟件模型，并進行了仿真測試和實車測試驗證。實車測試數據如下：

非C2C模式1升2換擋實車測試數據如圖5所示，在小油門工況下，干預模式為非C2C換擋模式，P1電機輔助換擋，P3電機動態補償輪邊扭矩，通過各零部件的配合，發動機轉速較為完美的跟隨目標轉速。由于本系統P3電機跟輪邊為機械硬鏈接，通過觀測P3電機轉速變化即可觀察車速及整車抖動情況，本換擋過程中，P3電機轉速抖動較小，低于30rpm，整體換擋過程較為平順。

C2C模式1升2換擋實車測試數據如圖6所示，在中大油門工況下，干預模式為C2C換擋模式，TCU先進行扭矩轉移再進行調速干預控制，通過P1電機輔助調速，P3電機動態補償輪邊扭矩，換擋時間較短，且P3電機轉速抖動較小，換擋過程平順。

C2C模式2降1換擋實車測試數據如圖7所示，在中大油門工況下，干預模式為C2C換擋模式，TCU全程不進行干預控制，P1電機不輸出扭矩，P3電機動態補償輪邊扭矩，換擋過程轉速抖動較小，換擋品質佳。

通過分析實車各種換擋測試結果，本文提出的兩種換擋策略均能順利實現平順換擋，證明了該換擋控制策略的可行性及實用性。

5 結語

本文針對匹配擋濕式雙離合的P1+P3架構系統的混合動力汽車設計了一套詳細的整車級換擋控制策略及扭矩控制方法并適用于整車項目。根據油門及車速分析出駕駛員的動力需求，大動力需求工況設計了C2C換擋模式，小動力需求工況設計了非C2C換擋模式，兩種換擋模式自適應切換，有效解決了當前行業難題。非C2C換擋控制分為換擋確認控制、清扭干預控制、調速干預控制及回扭干預控制共4個階段。而C2C換擋則根據是否需要P1電機輔助調速進行區分設計，更多地是利用雙離合器的特性完成換擋。通過實車駕評測試，可以得到如下結論：

a.通過對換擋過程進行拆解，利用混合動力汽車多動力源的優勢，對換擋進行分階段細化控制，使得整車系統各部件完美協調配合完成換擋，保證換擋過程中系統也能最大能力輸出。

b.通過整車大量實車測試驗證，本方案能自適應選擇最佳的換擋模式，且兩種換擋模式換擋過程均平順可靠，換擋品質佳，既解決了傳統汽車換擋動力掉坑的缺陷，又解決了雙離合變速器易磨損及熱管理困難的行業痛點。

c.利用發動機扭矩響應慢的特性，換擋過程中優先P1電機輔助調速，不輕易降發動機扭矩，能最大地發揮這套系統的最大能力。

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作者簡介：

葉兵飛，男，1988年生，研究方向為混合動力汽車整車控制。